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新物理的新证据

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原理 2021-10-20 21:37
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令许多粒子物理学家感到非常“骄傲”的是,他们手握着有史以来最成功的科学理论。没有人能否认,我们目前有关粒子和力的最好的理论就是粒子物理学标准模型,它几乎准确地描述了我们所知的关于构成我们周围世界的物理物质的一切。(更多有关标准模型的介绍,详见《》。)

但与此同时,科学家也清楚,它并不完备。标准模型最著名的“缺陷”是,它仅仅描述了自然界中四种基本力中的三种,也就是电磁力、强力和弱力,而忽略了引力。此外,它也无法解释天文学告诉我们的主宰宇宙的暗物质是什么,以及在大爆炸中物质是如何被保留下来的。因此,大多数物理学家相信,一定还有更多宇宙成分有待发现。

今年3月,大型强子对撞机(LHC)的一项新发现引起了不小的轰动,因为粒子物理学家报告了指向全新物理学的诱人证据,它或许有可能是一种新的自然力

现在,来自欧洲核子研究中心(CERN)庞然大物的新结果似乎为这一想法提供了进一步的支持。研究论文已于近日上传至预印本网站arXiv(尚未经同行评议)。

物理学家可以通过很多种方法来获取一些关于宇宙中可能存在的新物质的线索。在CERN内部,不同实验也选择了各不相同的手段。

比如像ATLAS(超环面仪器)和CMS(紧凑μ子线圈)这样的大型通用探测器,是在无数次碰撞中,用直接方法寻找隐藏着的新粒子。直接搜索的手段曾带来了不小的收获,比如希格斯玻色子就是这样被发现的。

但除此之外,还有另一种所谓的间接搜索,LHCb(大型强子对撞机底夸克实验)就可以被看作是其中出色的代表。这项实验用到的是一种被称为底夸克(有时也被称为美夸克)的粒子。

在标准模型中,夸克有6种味,分别被称为上、下、奇异、粲、底和顶夸克。它们能构成更大的粒子,例如,上夸克和下夸克构成了原子核中的质子和中子。

粒子物理学标准模型中的基本粒子:夸克(黄色)、轻子(绿色)、规范玻色子(蓝色)、希格斯玻色子(紫色)。|图片来源:新原理研究所

而底夸克并不稳定,它会迅速衰变成其他粒子。它们平均只能存在1.5万亿分之一秒。更有趣的一点是,底夸克格外“敏感”,其他基本粒子或力的存在通常会强烈地影响底夸克衰变的方式

当一个底夸克衰变时,它会通过弱力的影响转变成一系列更轻的粒子,比如电子。假如一种新的自然力存在,它有可能微妙地改变底夸克衰变为不同类型粒子的频率,从而现出“真身”。换句话说,仔细研究底夸克的衰变有望让我们发现新物理学的蛛丝马迹。这也可以理解成LHCb所采用的间接策略。

在今年3月的研究中,LHCb发现,底夸克以不同的速率衰变成电子和它们的更重的“表亲”μ子

这一结果出乎意料。因为根据标准模型,μ子基本上是电子的一种“副本”,它除了比电子重约200倍之外,两者在各个方面鲜有差异。这意味着,所有的力都应该以相同的强度吸引着电子和μ子,当一个底夸克通过弱力衰变为电子或μ子时,它也应该以同样的频率出现。

但恰恰相反,团队发现,μ子衰变的发生频率只有电子衰变的85%。假设结果真的如此,解释这种效应的唯一方法是,可能存在某种对电子和μ子有不同作用的新的自然力,干扰了底夸克的衰变方式。

这一结果在粒子物理学家中引起了轩然大波。几十年来,我们一直在寻找超越标准模型的迹象,发现一种新的自然力量显然是一件大事。

虽然结果很诱人,但它并不是决定性的。所有的实验测量都有一定程度的不确定性,或者叫“误差”。在这种情况下,只有大约千分之一的概率会导致随机统计波动,用粒子物理学的术语来说就是大约

千分之一听起来可能并不算大,但实验进行了大量测量,因此会带来一小部分随机出现的异常值。为了确保结果的可靠性,通常需要要求达到5σ,这对应着统计异常的可能性不到百万分之一。

为了达到这一目标,实验需要降低误差。团队需要进行更长时间的实验,收集更多数据,记录下更多的衰变。LHCb实验目前正在升级,以便将来能够以更高的速率记录碰撞结果,从而进行更精确的测量。

但科学家也可以从已经记录的数据中获得有用的信息。这就是此次新发表的结果的来源。

严格来讲,团队从来没有直接研究底夸克衰变,因为夸克总是会和其他夸克结合在一起形成更大的粒子。3月的研究实际上观察了与上夸克配对的底夸克。而此次的结果则研究了两种衰变,包括底夸克与下夸克的配对,以及底夸克与上夸克的配对。

但这些配对的差异理应无关紧要,在更深层次进行的衰变仍然是相同的,因此,如果真的有一种新的力存在,就应该会观察到相同的效果出现。欣喜的是,这也正是团队所观察到的。这一次,μ子衰变的发生频率仅为电子衰变的70%左右,但误差也更大一些,约2σ

我们需要准确地理解这一结果,它其实是在说,结果本身仍然不够精确,无法为一种新的力的存在提供确凿的证据,但它确实与先前的发现非常吻合,这进一步支持了我们可能即将取得重大突破的观点。

当然,我们应当抱有最谨慎的态度。在可以肯定地宣称确实观测到了第五种自然力的影响之前,显然还有一段路要走。团队目前正在努力从现有的数据中挤出尽可能多的信息,同时忙于准备升级后的LHCb实验的首次运行。

与此同时,LHC的其他实验,以及日本的Belle 2实验,都在不断靠近相同的目标。

想到在不久的将来,通往我们宇宙最基本成分的一扇新窗口很有可能就此打开,这仍然非常令人兴奋。

#创作团队:

原文作者:Harry Cliff(剑桥大学粒子物理学家)

编译:Takeko

#参考来源:

https://theconversation.com/new-physics-latest-results-from-cern-further-boost-tantalising-evidence-170133

#图片来源

封面来源:Nevit Dilmen via Wikimedia Commons under CC BY-SA

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